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回音也向你吶喊

圖/樹下繪本

文/Sven

站在山谷中大喊一聲,不久就聽到自己的回音,這種現象肯定每個人都經歷過!不過這到底是什麼原理?發出去的聲音(原聲)又回頭向你吶喊了,二者究竟有什麼關聯呢?

由於震動  產生聲音

回答這問題之前,首先要弄明白聲音是如何產生及傳播的。簡單來說,聲音的產生是因為「有東西在振動」,例如打鼓有鼓聲,是因為鼓面振動,人的聲音是因為聲帶振動。當振動產生時,會擾動、壓迫周圍的空氣,被擠壓的空氣會進一步推動更外圍的空氣,如此就形成一種波,叫「聲波」。聲音就是以「波」的形式傳播的。如果物體沒有振動,一切都是靜止的,也不會有聲音產生。

聲音產生後,要傳送到我們的耳朵,還必須要有介質,否則我們無法聽到。介質可分為固體、液體、氣體,如木材、水、空氣等。固體的傳播速度最快,氣體最慢,平常最常見的介質是空氣。

介質影響  條件回傳

月球上因為幾乎是真空的狀態,所以太空人只能藉助對講機才能相互通話。此外,介質的種類、溫度、密度及溼度等,都會影響到聲音的傳播。

聲音在傳播時如果碰到障礙物,例如山谷、高大的建築等,會反射回來,這便是回音(echo),也叫回聲。不過,回聲能夠讓我們聽到,也不是沒有條件的。首先,因為我們的耳朵無法分辨0.1秒之內的兩個聲音,所以原聲和回聲之間至少要有0.1秒的間隔。其次,音源(發音體)和回聲反射面也至少要有17公尺的距離。

為什麼是17公尺?因為聲音的速度是每秒340公尺,套上公式:已知距離(來回)=速度×時間,這樣就得出了單段距離17公尺。

我們平常在都市裡不容易聽到回聲,只有在山谷才能聽到,除了距離不夠,不夠空曠之外,生活周遭有窗簾、柔軟的衣服等物質會吸收聲音,也是原因之一。不過,如果有人想避免回聲的干擾,正好就利用這些物質了。除此之外,吸音板、把牆壁弄得凹凸不平,也是不錯的方法。

回聲的應用領域主要在探測距離上。科學家根據回聲定位的原理發明了所謂的聲吶,可用來探測海深、冰山、魚群、油礦甚至潛艇的位置等。聲吶的英文是sonar,指的是一種利用聲波傳播和反射的特性來探測、處理水下距離與動態的電子設備。

聲波反射  聲吶發明

最早的聲吶裝置是英國人在1906年發明的,不過技術並不成熟。著名的「鐵達尼號」(Titanic)在1912年不幸沉沒,曾刺激了科學家加速對水下探測儀的研發。第一次世界大戰時,德國的潛艇像幽靈一樣神出鬼沒,短短幾年內就擊沉了協約國四千多艘軍艦和商船,當時協約國就是沒有相關的聲吶裝置,所以根本無法偵測到德國潛艇的蹤跡。

動物界也有許多利用回聲定位的例子。生物學家在上世紀60年代曾經發現,海豚即使被蒙住雙眼,行動也絲毫不受影響。他們研究後得知,原來海豚體內有兩個「聲波發射器」,可以分別偵測近距離和遠距離的目標。在陸地上,最有名的例子要算是蝙蝠了。蝙蝠飛行時發出的尖叫聲碰到周圍的物體時會反射回來,蝙蝠用它靈敏的耳朵接收到這反射回來的聲波,便可判斷物體的位置、大小和距離了。由於有這種能力,視覺退化的蝙蝠即使在夜晚也能捕捉食物。除了海豚、蝙蝠之外,海豹、海獅和某些魚類的體內天生也就帶有類似聲吶的系統。另外,倒車感應器所運用的原理,也是回聲定位技術。

29 12 2023

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